Quantas dessas 31 perguntas você sabe sobre câmeras industriais?

Alguns engenheiros de visão computacional frequentemente pensam que câmeras industriais com interfaces USB causam perda de quadros. Geralmente falando, a perda de quadros em câmeras industriais não tem nada a ver com a interface de transmissão usada pela câmera industrial, seja ela USB, 1394, GigE ou CameraLink. Drivers mal projetados ou hardware de câmera industrial são a causa real da perda de quadros: A razão pela qual câmeras industriais mal projetadas experimentam perda de quadros é, na verdade, porque o canal de dados está bloqueado e não pode ser processado em tempo hábil. Portanto, quando uma nova imagem chega, a anterior pode ser descartada à força, ou a nova imagem pode ser descartada à força. Para resolver este problema, os projetistas precisam realizar um projeto preciso para cada elo de transmissão de dados entre o driver e o hardware da câmera industrial.

Na tecnologia de inspeção por visão computacional, as interfaces de entrada e saída das câmeras industriais incluem Camera Link, IEEE 1394, USB2.0, Ethernet e USB3.0;

O primeiro passo é escolher a lente certa. A seleção da lente deve seguir os seguintes princípios:

1. Qual o tamanho do chip da câmera correspondente?
2. Que tipo de interface a câmera possui? Interface C, interface CS ou outras interfaces;
3. A distância de trabalho da lente;
4. Campo de visão da lente;
5. Características espectrais da lente;
6. Taxa de distorção da lente;
7. Dimensões da estrutura mecânica da lente;

Ao escolher uma câmera CCD, você deve considerar os seguintes aspectos:

1. Tipo de chip fotossensível; CCD ou CMOS
2. Características de vídeo; incluindo frequência de clique e frequência de linha.
3. Interface de saída de sinal;
4. Modos de operação da câmera: contínuo, gatilho, controle, reset assíncrono, integração de longa duração.
5. Métodos de ajuste e controle de parâmetros de vídeo: Manual, RS232.

Ao mesmo tempo, ao escolher um CCD, você deve prestar atenção a 1 polegada = 16 mm em vez de 25,4 mm.

1. Processo de imagem

O princípio de conversão fotoelétrica dos sensores de imagem CCD e CMOS é o mesmo. A principal diferença entre eles é o processo de leitura de sinal diferente. Como o CCD tem apenas um (ou poucos) nó(s) de saída para leitura unificada, a consistência de sua saída de sinal é muito boa. No chip CMOS, cada pixel tem seu próprio amplificador de sinal, que realiza a conversão de carga para tensão, e a consistência de sua saída de sinal é pobre. No entanto, para ler todo o sinal da imagem, o CCD requer uma largura de banda de sinal maior do que o amplificador de saída. Em um chip CMOS, o requisito de largura de banda do amplificador em cada pixel é menor, o que reduz significativamente o consumo de energia do chip. Esta é a principal razão pela qual o consumo de energia dos chips CMOS é menor do que o dos CCD. Embora o consumo de energia seja reduzido, a inconsistência de milhões de amplificadores resulta em ruído fixo mais alto, que é uma desvantagem inerente do CMOS em relação ao CCD.

2. Integração

Do ponto de vista do processo de fabricação, os circuitos e dispositivos em CCD são integrados no material de cristal único semicondutor do fabricante, e o processo é relativamente complexo. Existem apenas alguns fabricantes no mundo que podem produzir wafers de CCD, como DALSA, SONY, Panasonic, etc. O CCD só pode emitir sinais elétricos analógicos, o que requer decodificador de endereço subsequente, conversor analógico e processamento do processador de sinal de imagem. Ele também precisa fornecer três conjuntos de circuitos de controle de clock de sincronização de fonte de alimentação com diferentes tensões, e o nível de integração é muito baixo. O CMOS é integrado em um único material chamado óxido de metal. Este processo é o mesmo que o processo usado para produzir dezenas de milhares de circuitos integrados semicondutores, como chips de computador e dispositivos de armazenamento. Portanto, o custo do CMOS de campo sonoro é muito menor do que o do CCD. Ao mesmo tempo, o chip CMOS pode integrar o amplificador de sinal de imagem, circuito de leitura de sinal, circuito de conversão A/D, processador de sinal de imagem e controlador em um único chip. Apenas um chip pode realizar todas as funções básicas da câmera. O nível de integração é muito alto. É daí que vem o conceito de câmeras em nível de chip. Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de imagem CMOS, cada vez mais empresas podem fornecer chips de imagem CMOS de alta qualidade, incluindo: Micron, CMOSIS, Cypress, etc.

3. Velocidade

O CCD usa saída fotossensível um por um, e só pode emitir de acordo com o programa prescrito, e a velocidade é lenta. O CMOS possui múltiplos conversores de carga-tensão e controle de chave de linha-coluna, e a velocidade de leitura é muito mais rápida. Atualmente, a maioria das câmeras de alta velocidade acima de 500fps são câmeras CMOS. Além disso, a chave de strobe de endereço do CMOS pode ser amostrada aleatoriamente para realizar a saída de sub-janela, e uma velocidade maior pode ser alcançada quando apenas imagens de sub-janela são emitidas.

4. Ruído

A tecnologia CCD foi desenvolvida mais cedo e é relativamente madura. Ela usa junção PN ou camada de isolamento de dióxido de silício (SiO2) para isolar o ruído. A qualidade da imagem tem certas vantagens sobre os sensores fotoelétricos CMOS. Devido ao alto nível de integração dos sensores de imagem CMOS, a distância entre componentes e circuitos é muito próxima, a interferência é séria e o ruído tem um grande impacto na qualidade da imagem.

Nos últimos anos, com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de redução de ruído de circuito CMOS, boas condições foram fornecidas para a produção de sensores de imagem CMOS de alta densidade e alta qualidade.

• Resolução
• Velocidade (taxa de quadros/taxa de linha)
• Ruído
• Relação sinal-ruído
• Faixa dinâmica
• Profundidade de pixel
• Resposta espectral
• Interface óptica

Resolução é o parâmetro mais básico da câmera. É determinada pela resolução do chip usado na câmera. É o número de pixels dispostos na superfície alvo do chip. Geralmente, a resolução de uma câmera de varredura de área é expressa por dois números: resolução horizontal e vertical, como: 1920 (H) x 1080 (V). O primeiro número indica o número de pixels em cada linha, ou seja, há 1920 pixels no total, e o número seguinte indica o número de linhas de pixels, ou seja, 1080 linhas. Atualmente, a resolução de uma câmera geralmente indica quantos K, como 1K (1024), 2K (2048), 3K (4096), etc. Ao adquirir imagens, a resolução da câmera tem um grande impacto na qualidade da imagem. Ao capturar o mesmo campo de visão grande (alcance da paisagem), quanto maior a resolução, mais óbvios os detalhes serão exibidos.

A taxa de quadros/frequência de linha de uma câmera indica a frequência com que a câmera coleta imagens. Geralmente, câmeras de matriz de área são expressas em taxa de quadros, e a unidade é fps (Quadros Por Segundo). Por exemplo, 30fps significa que a câmera pode coletar até 30 quadros de imagens em 1 segundo. Câmeras de matriz de linha geralmente usam frequência de linha em unidades de KHz. Por exemplo, 12KHz significa que a câmera pode coletar até 12.000 linhas de dados de imagem em 1 segundo. A velocidade é um parâmetro importante da câmera. Em aplicações práticas, é frequentemente necessário capturar objetos em movimento. A velocidade da câmera precisa atender a certos requisitos para capturar objetos com clareza e precisão. A taxa de quadros e a taxa de linha da câmera são primeiro afetadas pela taxa de quadros e taxa de linha do chip. A velocidade máxima de projeto do chip é determinada principalmente pelo clock mais alto que o chip pode suportar.

O ruído das câmeras industriais refere-se a sinais que não são esperados de serem coletados durante o processo de imagem e estão fora do alvo de imagem real. De acordo com o padrão europeu de teste de câmeras EMVA1288, o ruído na câmera pode ser geralmente dividido em duas categorias: uma é o ruído de flutuação estatística causado pelo sinal efetivo que está em conformidade com a distribuição de Poisson, também chamado de ruído de disparo. Este tipo de ruído é o mesmo para qualquer câmera, inevitável, e tem uma fórmula de cálculo específica. (Ou seja: o quadrado do ruído = a média do sinal). O segundo tipo é o ruído inerente independente do sinal da própria câmera. É o ruído causado pelo circuito de leitura do sensor de imagem, circuito de processamento e amplificação de sinal da câmera, etc. O ruído inerente de cada câmera é diferente. Além disso, para câmeras digitais, o ruído de quantização será gerado quando a conversão analógica de sinais de vídeo. Quanto maior o número de bits de quantização, menor o ruído.

A relação sinal-ruído de uma câmera é definida como a razão entre sinal e ruído na imagem (a razão entre o valor médio de cinza do sinal efetivo e a raiz quadrada da média do ruído), que representa a qualidade da imagem. Quanto maior a relação sinal-ruído da imagem, melhor a qualidade da imagem.

A faixa dinâmica da câmera indica o intervalo em que a câmera detecta sinais de luz. A faixa dinâmica pode ser definida de duas maneiras. Uma é a faixa dinâmica óptica, que se refere à razão entre a intensidade máxima de luz na saturação e a intensidade de luz equivalente à saída de ruído, que é determinada pelas características do chip. A outra é a faixa dinâmica eletrônica, que se refere à razão entre a tensão de saturação e a tensão de ruído. Para uma câmera fixa, sua faixa dinâmica é um valor fixo e não muda com as variações das condições externas. Em termos de resposta linear, a faixa dinâmica da câmera é definida como a razão entre a exposição de saturação e a exposição equivalente ao ruído: faixa dinâmica = capacidade total de poço do elemento fotossensível/sinal de ruído equivalente. A faixa dinâmica pode ser expressa em múltiplos, dB ou Bit. Com uma grande faixa dinâmica, a câmera tem uma capacidade mais forte de se adaptar a diferentes intensidades de luz.

O sinal digital emitido por uma câmera digital, ou seja, o valor de cinza do pixel, tem um número especial de bits, chamado profundidade de pixel. Para câmeras em preto e branco, o intervalo de valores é geralmente de 8 a 16 bits. A profundidade de pixel define o número de níveis de cinza de escuro para claro. Por exemplo, para uma câmera de 8 bits, 0 representa escuridão total e 255 representa brilho total. Números entre 0 e 5 representam certos indicadores de brilho. Dados de 10 bits têm 1024 níveis de cinza e dados de 12 bits têm 4096 níveis de cinza. Para cada aplicação, consideramos cuidadosamente se níveis de cinza muito finos são necessários. Atualizar de 8 bits para 10 bits ou 12 bits pode realmente aumentar a precisão da medição, mas também reduz a velocidade do sistema e aumenta a dificuldade de integração do sistema (aumento de cabos e tamanhos maiores), portanto, devemos escolher com cuidado.

A interface refere-se à interface entre a câmera e a lente. As interfaces de lente comumente usadas incluem C-mount, CS-mount e F-mount.

• Classificação por estrutura de chip: Câmera CCD & Câmera CMOS
• Por estrutura do sensor: Câmera de varredura de área & Câmera de varredura de linha
• Classificação por modo de saída: Câmera analógica & Câmera digital
• Câmera colorida & Câmera em preto e branco

• O tempo de obturador das câmeras industriais é particularmente curto e pode capturar claramente objetos em movimento rápido, enquanto câmeras comuns são muito borradas ao capturar objetos em movimento rápido;
• O sensor de imagem de uma câmera industrial é varredura progressiva, enquanto o sensor de imagem de uma câmera comum é entrelaçado, ou até mesmo escaneado a cada três linhas;
• A velocidade de disparo das câmeras industriais é muito maior do que a das câmeras comuns; câmeras industriais podem tirar de dez a centenas de fotos por segundo, enquanto câmeras comuns só podem tirar 2-3 imagens;
• Câmeras industriais emitem dados brutos, e sua faixa espectral é frequentemente relativamente ampla, o que é mais adequado para algoritmos de processamento de imagem de alta qualidade e é comumente usado em sistemas de visão computacional. Quanto às fotos tiradas por câmeras comuns, sua faixa espectral é adequada apenas para a visão humana, e elas foram comprimidas por MPEG, então a qualidade da imagem também é ruim;

1. Calcular a resolução: Divida a largura pela precisão mínima de detecção para obter os pixels necessários para cada linha.
2. Precisão de detecção: A precisão de detecção real é obtida dividindo a largura pelo número de pixels.
3. Número de linhas de varredura: Divida o comprimento da velocidade de movimento por segundo pela precisão para obter o número de linhas de varredura por segundo.

Exemplos de seleção de uma câmera de matriz de linha com base nos resultados de cálculo acima são os seguintes:

Por exemplo, se a largura for 1600 mm, a precisão for 1 mm e a velocidade de movimento for 22000 mm/s, a câmera: 1600/1 = 1600 pixels é pelo menos 2000 pixels, e a câmera é selecionada como 2k. 1600/2048 = 0,8. A precisão real é 22000 mm/0,8 mm = 27,5 KHz. A câmera deve ser selecionada como uma câmera de 2048 pixels e 28 kHz.

• Os sensores de varredura de linha usados por câmeras de matriz de linha geralmente têm apenas uma linha de unidades fotossensíveis (alguns sensores de matriz de linha colorida usam três linhas de unidades fotossensíveis)
• A câmera de varredura de linha coleta apenas uma linha de imagens por vez;
• A câmera de varredura de linha emite apenas uma linha de imagens por vez;
• Em comparação com câmeras de matriz de área tradicionais, a varredura de matriz de área coleta várias linhas de imagens a cada vez e as emite em quadros.

• Câmeras de varredura de linha têm maior resolução; cada linha de pixels de uma câmera de varredura de linha geralmente é de 1024, 2048, 4096, 8012; enquanto uma câmera de varredura de área geral tem apenas 640, 768, 1280, e matrizes de área maiores que 2048 são raras.
• A velocidade de aquisição de câmeras de matriz de linha é mais rápida; a velocidade de aquisição de diferentes modelos de câmeras de matriz de linha varia de 5.000 linhas por segundo a 60.000 linhas por segundo. Os usuários podem escolher algumas linhas ou a cada dez linhas para formar um quadro de imagem para processamento, de modo que uma taxa de quadros muito alta possa ser alcançada.
• Câmeras de matriz de linha podem coletar e processar continuamente sem interrupção; câmeras de matriz de linha podem coletar continuamente objetos em movimento linear (guias lineares, papel em rolos, tecidos, material impresso, objetos em esteiras, etc.).
• Câmeras de varredura de linha têm uma estrutura mais simples e razoável. Comparadas com câmeras de varredura de área, câmeras de varredura de linha não desperdiçam resolução e coletam dados inúteis.

Uma câmera industrial inteligente não é uma câmera simples, mas um sistema de visão computacional micro altamente integrado. Ela integra funções de aquisição, processamento e comunicação de imagem em uma única câmera, fornecendo assim uma solução de visão computacional multifuncional, modular, altamente confiável e fácil de implementar. Câmeras industriais inteligentes são geralmente compostas por unidades de aquisição de imagem, unidades de processamento de imagem, software de processamento de imagem, dispositivos de comunicação de rede, etc. Devido à aplicação de DSP, FPGA e tecnologia de armazenamento de grande capacidade mais recentes, seu nível de inteligência continua a aumentar e pode atender a uma variedade de necessidades de aplicação de visão computacional.

Os dois principais tipos de chips de sensoriamento fotoelétrico usados em visão computacional são chips CCD e chips CMOS. CCD é a abreviação de ChargeCoupled Device e CMOS é Complementary Metal-Oxide-Semiconductor T